50052

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. 12 Величину t=L R называют постоянной времени цепи которая равняется времени за которое при разрядке...

Русский

2014-01-15

99 KB

23 чел.

Лабораторная работа № 5.30*

ЯВЛЕНИЕ САМОИНДУКЦИИ

Цель работы:  ознакомиться с явлением самоиндукции; изучить зависимость постоянной времени электрической цепи, состоящей из катушки индуктивности и омического сопротивления, от величины сопротивления; определить величины индуктивности катушки и магнитной проницаемости сердечника соленоида.

Приборы и принадлежности: генератор прямоугольных импульсов ГН-1, лабораторный стенд, электронный осциллограф «PicoScope 2203».

Краткие теоретические сведения

Явление самоиндукции заключается в возникновении ЭДС индукции в электрической цепи, обладающей индуктивностью, при изменении в ней электрического тока.

Электрический ток, протекая по проводникам, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитный поток этого поля, сцеплённый с контуром проводника Y (потокосцепление самоиндукции), вычисляется по формуле

                                                      ,                                               (1)

где N – число витков соленоида. Интегрирование  в (1) ведётся по сечению соленоида.

При слабых магнитных полях и неизменных параметрах контура, как правило, потокосцепление пропорционально силе тока:

Y=LI.  (2)

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность характеризует способность проводящего контура создавать потокосцепление собственного магнитного поля с контуром проводника. Она численно равна потокосцеплению при силе тока, равной единице:

L=Y/ I.  (3)

Индуктивность измеряется в генри: 1Гн=Вб/А. Индуктивность - скалярная величина, не зависящая от протекающего по контуру тока (в отсутствии ферромагнитных сред).

Согласно закону электромагнитной индукции, возникающая в цепи ЭДС самоиндукции, равна скорости изменения потокосцепления самоиндукции:

es = - dY/dt. (4)

Если L - величина постоянная, то из (2) получаем

 ei = - L dI/dt.  (5)

Знак минус отражает тот факт, что в проводящем контуре ЭДС самоиндукции всегда препятствует изменению электрического тока, т.е. стремится поддерживать силу тока неизменной. Самоиндукция в электромагнетизме играет ту же роль, что и инерция в механике.

Используя выражения (1) и (3), можно получить формулу для индуктивности соленоида, выбрав поверхность интегрирования, перпендикулярную осевой линии соленоида.

                                                     L=m0 mN2S/l                                                   (6)

где m0=4p10-7Гн/м – магнитная постоянная, m - магнитная проницаемость сердечника соленоида, N - общее число витков, S - площадь поперечного сечения, l- длина соленоида.

Рассмотрим переходные процессы в индуктивно-резистивной цепи, которая состоит из омического сопротивления R, индуктивности L и источника ЭДС (рис.1).

По закону Ома для замкнутой цепи сила тока:

                                                       I=(e+es)/R.                                                           (7)

Учитывая  выражение (5), получим дифференциальное уравнение первого порядка

                                            I R=e - LdI/dt.                                                        (8)

Для  решения  уравнения (8) введём начальные условия: пусть при t=0, e=0 и I=0; при t>0, e=const и I=I(t). Найдём функциональную зависимость силы тока от времени. Для этого в (8) разделим переменные и проинтегрируем обе части уравнения, расставив пределы интегрирования с учётом начальных условий.

                                                              (9)

После интегрирования

I=(e/R)[1 - exp(-Rt/L)].    (10)

Согласно (10) и закону Ома для участка цепи, напряжение на активном сопротивлении                 R U=IR=e[1-exp(-Rt/L)],                                          (11)

а на индуктивности L

                                       es=- e exp(-Rt/L)=-e exp(-t/t).                                    (12)

Величину t=L/R называют постоянной времени цепи, которая равняется времени, за которое при разрядке величина напряжения на резисторе достигает значения U=0,63 Umax, а при разрядке напряжение на резисторе уменьшается в е раз. Графики зависимости U и es от времени показаны на рис. 2 и 3.

Поскольку реальные источники e обладают внутренним сопротивлением r, то постоянная времени

   t=L/(R+r) или 1/t=R/L+r/L.       (13)

Как видно из выражения (13), зависимость 1/t от R является линейной.

Порядок выполнения работы

Для определения постоянной времени t соберите электрическую цепь, состоящую из генератора прямоугольных импульсов ГН-1, омического сопротивления R, индуктивности L и осциллографа.

1. Соберите схему, представленную на рис. 4. С помощью  переменного резистора на блоке сопротивлений установить R=100 Ом.

2. Запустите программу «PicoScope», включите цифровой осциллограф.

3. На экране осциллографа получится график зависимости U=f(τ).

4.Установите автоматический диапазон входного сигнала осциллографа (меню ).

5. На панели настройки канала установите режим АС.

6. Нажмите клавишу автоматической установки ,  на панели захвата изображения,  получите оптимальное изображение графика на экране осциллографа.

7. Установите растяжку осциллограммы по горизонтали  (меню ) равное 16 и коэффициент развертки (меню ) равное 2ms/div  (панель настройки канала). Изменяя сопротивление пронаблюдайте на экране зависимость постоянной времени от величины сопротивления R.

8. Определите постоянную времени цепи  τ изменяя сопротивление в пределах от 100 до 500 Ом с шагом 100 Ом. Для определения постоянной времени τ необходимо по графику переходного процесса, измерить значение времени, с учетом знака, в начале графика (t1) и в точке, где U=0,63 Umax (t2). Для измерения t1(t2) подведите курсор и удерживайте левую кнопку мыши в требуемых точках. Полученные значения высвечиваются на экране. Рассчитайте, как τ = t2t1, результаты измерений занесите в табл. 1 Перед измерением времени остановите обработку данных осциллографом, нажав на панели  Запуска/Остановки клавишу .

9. Для получения  следующих графиков повторно нажать на панели  Запуска/Остановки клавишу .

Таблица 1

R, Ом

10-6, c

(1/t)×106, c-1

100

200

10. Рассчитайте величины 1/t для каждого значения R.

11. Постройте график зависимости 1/t = f (R) и убедитесь, что зависимость является линейной.

12. Рассчитайте величину индуктивности L по графику зависимости 1/t=f(R), где L является величиной, обратной тангенсу угла наклона прямой ,

13. Определите магнитную проницаемость сердечника соленоида, используя формулу (6), при заданных параметров соленоида: S=0.64 см2,  l=10 мм, N=30.

Контрольные вопросы

1. Явление самоиндукции.

2. Потокосцепление при явлении самоиндукции.

3. ЭДС самоиндукции. Индуктивность.

4. Графики зависимости напряжения на резисторе и ЭДС самоиндукции от времени.

5. Постоянная времени цепи t и ее зависимость от параметров контура.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7794. Педагогическая мысль и школа в период Французской буржуазной революции XVIII века 43 KB
  Педагогическая мысль и школа в период Французской буржуазной революции XVIII века В 70-х годах XVIII века во Франции создалась революционная ситуация. В недрах феодального общества выросли и созрели формы нового, капиталистического уклада. О...
7795. Педагогическая мысль эпохи Возрождения 37.5 KB
  Педагогическая мысль эпохи Возрождения Наиболее ярко педагогическая мысль эпохи Возрождения представлена трудами итальянских, немецких и французских ученых-гуманистов. Среди итальянских гуманистов эпохи Возрождения особенно выделяется Витторино да Ф...
7796. Педагогическое сознание Гербарта (цели, средства) 43 KB
  Педагогическое сознание Гербарта (цели, средства) Педагогическое сознание Гербарта впитало и переработало многие передовые идеи той эпохи французских мыслителей 18 века, немецкой классической философии, филантропистов, Песталоцци, что и позволило ем...
7797. Послереформенные изменения в России (вторая половина 19 века) 27.5 KB
  Послереформенные изменения в России (вторая половина 19 века) Новые условия хозяйственной и общественной жизни пореформенной России настоятельно требовали подготовлённых и грамотных людей. Необходимо было значительно расширить базу народного образов...
7798. Просвещение абсолютизма 41 KB
  Просвещение абсолютизма Просвещённый абсолютизм - политика, проводимая во второй половине XVIII века рядом монархических стран Европы и направленная на устранение остатков средневекового строя в пользу капиталистических отношений. Основы просве...
7799. Развитие системы образования в России в начале 20 века 32 KB
  Развитие системы образования в России в начале 20 века Основным типом школы в России к началу ХХ века, как и раньше, была начальная школа, отличавшаяся пестротой не только по ведомственной принадлежности, но и по срокам и содержанию обучения. Самыми...
7800. Реформы Петра 1 29.5 KB
  Реформы Петра 1. Преобразования в сфере культуры Пётр I изменил начало летосчисления с так называемой византийской эры (от сотворения Адама) на от Рождества Христова. 7208 год по византийской эре стал 1700 годом от Рождества Христова. Однако...
7801. Советская школа в годы ВОВ и послевоенные годы(1941-58гг.) 25 KB
  Советская школа в годы ВОВ и послевоенные годы(1941-58гг.). Война затормозила осуществление всеобщего обязательного семилетнего обучения. Развертыванию всеобщего обучения препятствовали перемещения населения из западных районов в восточные, уход учи...
7802. Советская школа в период с 1921 по 1930гг 25.5 KB
  Советская школа в период с 1921 по 1930гг. По окончании гражданской войны советский народ приступил к мирному строительству, которое осуществлялось в трудных условиях хоз. разрухи и голода. Надо было немедленно восстановить промышленность, поднять с...